大功率二極管晶閘管知識連載——保護

功率二極管晶閘管廣泛應用于AC/DC變換器，UPS，交流靜態開關，SVC和電解氫等場合，但大多數工程師對這類雙極性器件的了解不及對IGBT的了解，為此我們組織了6篇連載，包括正向特性，動態特性，控制特性，保護以及損耗與熱特性。內容摘來自英飛凌《雙極性半導體技術信息》。

7.保護

晶閘管和二極管必須得到可靠的保護，避免電流和電壓過高以及控制電路中的脈沖干擾。

7.1 過壓保護

總體而言，裝置中產生過壓的原因如下：

內部過壓——由于功率半導體的載流子存儲效應

外部過壓——由于線路上的開關過程和大氣影響，例如：

變壓器空載時的開關

感性負載時的開關

熔斷器熔斷瞬間

遭受雷擊

晶閘管和二極管可能因數微秒的過壓而被破壞，因此需要特別注意其過壓保護。設計合適的緩沖電路時，須考慮阻斷能力(VDRM,VRRM)和電壓臨界上升率(dv/dt)cr。

7.1.1 單獨緩沖（RC緩沖電路）

關斷晶閘管或二極管的負載電流時，由于載流子存儲效應，負載電流不會在過零時停止流動，而是作為反向恢復電流繼續沿反向流動（圖23）。一旦達到反向峰值恢復電流，反向延遲電流發生一定程度的陡降，這將使負載回路中的電感上產生尖峰電壓并疊加到器件兩端的電壓上，從而可能使半導體過壓受損。

通過RC緩沖電路對半導體進行單獨緩沖可以有效降低這種過壓。為了確保緩沖電路合適，有必要了解最重要的影響因素，例如通態電流的電流強度iTM或iFM 和電流變化率-diT/dt或-diF/dt，半導體的反向重復峰值阻斷電壓VRRM，晶閘管的電壓臨界變化率(dv/dt)cr。在電網換相變流器中，可在以下條件下，在表2所示的正常工作條件下使用晶閘管和二極管RC緩沖電路：

變流器供電變壓器的短路電壓uK>4%。直接與電網相連時，必須相應調整扼流圈的規格。

重復峰值斷態電壓和電源電壓峰值之間比值的安全裕量 >2.2

表2.電網應用中用于單獨緩沖的RC緩沖電路

尤其是在通態電流變化率高或阻斷能力安全裕量低的情況下，應檢查上述建議RC緩沖電路是否合適。在這種情況下，通常需要電容值更大的電容器和電阻值經過適當重新調整的電阻器。按以下公式計算最有利的非周期性抑制過壓過程的最佳等效電阻：

其中，R’和C’為RC串聯緩沖電路的等效值，L’為變流器電感的等效值。

表3.變流器電路的等效值

R,C=RC緩沖電路的值

LS=變流器變壓器的雜散電感（一相）

Lg=平滑扼流圈的電感

對于晶閘管，還須注意，RC緩沖電路的電阻值必須為

其目的是使晶閘管在開通過程中不會承受來自緩沖電路的過高放電電流（另見3.4.1.2.3）。

按以下公式計算電阻器的耗散功率:

PR=k*VR2*C*f

k=2*10-6 適用于不可控整流器

k=4*10-6 適用于可控單脈沖和雙脈沖電路及交流控制器

k=6*10-6 適用于可控三脈沖和六脈沖電路及三相控制器

應確保在公式中使用具有以下單位的值：

PR[W]

Vr[V]

C[μF]

f[Hz]

如有要求，可按照圖41修改緩沖電路，以減小過壓，進而減小晶閘管在開通過程中承受的應力。

圖41.用于晶閘管的擴展RC緩沖電路示例

a–采用雙極型電壓浪涌抑制器

b–采用RCD組合來抑制開通電流

c–采用RCD組合來抑制dv/dt和正向斷態電壓

注意：Do=快速二極管，尤其是在開通情況下

存在變壓器緩沖時，只要所用晶閘管的最高電壓上升率達到(dv/dt)cr>500V/μs，則在整流器工作電路中可以不使用RC緩沖電路（見7.13）,

7.1.2 交流控制器的輸入緩沖

在交流控制器和三相控制器中，在反并聯配置中使用的晶閘管可用于相控制以及例如軟啟動器中的全波工況。圖42

圖42.交流控制器的緩沖電路

顯示的是緩沖電路。

表2中的RC串聯緩沖電路建議值適用于在正常工作條件和以下情況下的晶閘管的緩沖：

電源電壓和電流之間的感應相位角<30°el(cos9> 0.866)。這樣可確保抑制緩沖電路中可能出現的電容和電感串聯所導致的振蕩。

晶閘管的重復峰值阻斷電壓和電源電壓峰值之間的安全裕量>2.2（見3.1.2.1）。

晶閘管的電壓臨界上升率(dv/dt)cr>500V/μs。

注意：表2中規定的通態電流ITAV足夠準確，可被視為單向配置中的晶閘管的平均值。為了確定負載電流，可通過以下公式計算反并聯配置中單個晶閘管的ITRMS RMS值和總電路的IRMS RMS值：

對于大功率半導體和在大型裝置中實施的光觸發晶閘管，常根據電路參數和所用半導體類型優化緩沖電路。在這種情況下可忽略電壓上升率，因為這些晶閘管的電壓臨界上升率明顯比上述標準高。

因此沒必要對緩沖電路設計作一般性建議。

圖43.交流控制器電流計算

7.1.3 用于電網換相變流器的電源緩沖電路

最好通過組合式緩沖電路來抑制來自電網的或者因變流器變壓器或扼流圈開關導致的高能量過壓。對于帶晶閘管或二極管的變流器，緩沖電路位于交流側，并由帶二極管的輔助整流器和帶放電電阻的保護電容器組成。二極管橋會阻礙緩沖電路電容放電，所以這些放電電阻必不可少。必須設計放電電阻，使電容可以在一個周期內放電。（見圖44和表4）。

圖44.可控整流器交流側的組合式緩沖電路

表4.可控三相橋交流側的組合式緩沖電路中的元件

變流器和輔助整流器中的所有晶閘管和二極管通常沒必要另外采用單獨緩沖電路，因為組合式緩沖電路也可起到RC網絡的作用。除非是一些雙變流器電路，例如兩個三相反并聯橋。設計組合式緩沖電路時須注意以下元件：

串聯電阻R1

此元件可防止變流器變壓器在開關時可能造成的振蕩。同時，它可以通過輔助整流器中的二極管限制保護電容器在開通和承受過壓時產生的放電尖峰。

保護電容器C1

當變流器變壓器或扼流圈關斷時，此元件必須吸收積累的能量，以免電壓超過需保護的晶閘管或二極管的最高允許重復峰值斷態電壓；開關電弧損耗除外。

放電電阻R2

當連續過壓能量的放電時間常數R2·C=80ms時，根據實際經驗選擇該元件的阻值。

輔助整流二極管

選擇輔助整流二極管時，除了考慮所需的阻斷能力，還要考慮器件可允許的浪涌電流，允許浪涌電流取決于保護電容器的電荷浪涌電流。過壓的發生時間較短且間隔時間較長，所以輔助整流管的利用率較低，功率耗散也較低。通常無需使用散熱器。

7.1.4 用于高能量過壓保護的其他選擇

RLC濾波器

由變流器變壓器的雜散電感或換相扼流圈的電感以及在星點接地的RC網絡組成。它們適用于抑制短期低能量過壓，因為考慮到電容器的放電電流，可能不會選擇阻值過低的電阻器。此外，由于會產生損耗，電容大小會受限（見圖45）。

火花隙避雷器

可用于預計線路中會產生高能耗過壓的情況。由于其在達到觸發電壓后會延遲開通，因此通常有必要采用額外的過壓保護措施（見圖45）。

直流緩沖器

可使用直流緩沖器抑制負載側的過壓（見圖45）。

可使用金屬氧化物壓敏電阻等電壓敏感型電阻器取代RC網絡。一方面應記住，壓敏電阻通常不適合限制重復過壓，因為它們在重復過壓情況下會導致熱穩定性變差并嚴重老化。另一方應注意，不得使用規格不合適的壓敏電阻，否則將妨礙高能量過壓保護裝置（通常為火花隙避雷器）發揮作用。

圖45.用于高能量過壓保護的其它選擇

7.2 過流保護

晶閘管和二極管可以承載較大工作電流，但也可能由于過流而損壞，因此需要采取合適的保護措施。根據過流類型選擇合適的保護裝置。通常區分為短期保護和長期保護。

7.2.1 用超快半導體熔斷器實現短期保護

使用具有超快開路特性的特殊半導體保護熔斷器實現短期保護，通過短期保護將短路產生的過流限制到某個值，該值可使晶閘管或二極管在長達一個正弦半波的時間范圍內不會面臨受損風險。在最糟糕的情況下，它們在關斷時可達到數據手冊中針對具體類型規定的∫i2dt 值。

半導體承受∫i2dt值時完全或部分失去其斷態和阻斷能力，直到結溫下降至持續工作所允許的值。數秒后這種應力可能重復出現，在變流器的整個工作時間內，這種應力只會隨有限數目的脈沖發生（另見3.1.16）。

7.2.1.1 熔斷器選型

可將熔斷器置于一相或支路（橋臂）中。支路熔斷器可實現最安全的短期保護，并允許晶閘管或二極管的最大電流負載。采用相熔斷器可降低結構復雜性。

但是對于具有反電動勢的負載可能產生的反饋，必須在變流器輸出端另外采用熔斷器，因為從負載反饋到直流母線的短路電流不一定會流過相熔斷器。

對于一些載流能力高的晶閘管或二極管，有必要并聯兩個熔斷器。選擇熔斷器時需考慮以下值：

熔斷器額定電壓

熔斷器額定電壓必須高于驅動短路電流的電壓。

驅動短路電流的電壓

此電壓通常與電源電壓相等；僅在交流變流器工作的情況下，此電壓為電源電壓的1.8倍。

重復電壓VRMS

此電壓等于用驅動短路電流的電壓VKRMS除以位于短路路徑中的串聯熔斷器的個數N再乘以安全系數Fs=1.3 所得的結果。以下公式適用：

例如在B2和B6電路中，VRMS=1/2*1.3*VKRMS= 0.65*VKRMS

熔斷器起弧電壓

在滅弧過程中，熔斷器產生起弧電壓（此電壓與熔斷器結構有關）和重復電壓。這些電壓的峰值不得超過半導體浪涌峰值電壓，以防損害電路中的任何反向偏置元件。

熔斷器標稱電流額定值

該值通常指的是正弦波交流電流，并且會因偏離電流波形而高于或低于額定值。熔斷器標稱電流應稍高于預期的相或支路電流。

∫i2t關斷值

該值是熔斷積分和電弧積分之和，因此必須低于晶閘管的∫i2dt值。

圖46.超快熔斷器的關斷特性

表5.分支（臂）電流和相電流的計算

短路電流增大過程中，熔斷體首先熔斷。然后覆蓋填料——通常為石英砂——熄滅由此產生的電弧。這些熔斷器在3至5ms內熔斷（見圖46）

可以使用表5所示的公式，用各種變流器電路的輸出電流計算出分支電流或相電流的RMS值。

這些因子適用于電阻性負載和零延遲輸出。

7.2.2 更多保護設計：大功率半導體的短期保護

7.2.2.1 高速直流斷路器

短路時可在幾毫秒內實現電動觸發。因成本較高，很少使用這種裝置。

7.2.2.2 撬棍電路（電子短路器）

這種電路最常用于帶關斷元件(IGBT、GTO、IGCT)的電壓源逆變器。一旦直流總線電壓超過規定的保護電平，撬棍電路觸發且直流母線電容放電。當脈沖電流使極性反轉時，通過特殊二極管或逆變器電路中的續流二極管饋電。

7.2.2.3 電網側斷路器

半導體必須承載短路電流直到斷路器斷開電網連接。在大型裝置中，這種情況在三至五個半波后發生。

7.2.2.4 阻斷觸發脈沖

超過規定電平時，晶閘管的觸發脈沖被抑制。然后晶閘管先后承受電流半波和反向斷態電壓和正向斷態電壓。這要求此半導體具有足夠強的阻斷能力。

7.2.3 長期保護

可通過合適的熱和磁過流保護方法或熔斷器實現長期保護。這些保護裝置的關斷特性應低于短時工作中的過壓。晶閘管或二極管的阻斷能力將保持不變。因此通過阻斷觸發脈沖也可以實現對晶閘管的長期保護。如果不需要最大阻斷能力，可根據章節3.1.14所述的最高過載通態電流特性確定中斷特性。

7.2.4 滿載額定保護

這種保護由長期保護和短期保護組成，實際上僅通過組合使用幾種保護措施即可實現。

7.3 通過負載電路中的電感器限制動態電流

如果負載電路中的電感較低，開通晶閘管時，電流上升率可能過高。為了避免損壞，有必要插入額外電感 LZ，此電感器可使開通電流的上升率減?。ㄒ妶D 47）。這種方法還可降低開通損耗。

對于線性電感，擴散觸發的硅片區域中的電流密度在電流上升過程中減小。

在飽和扼流圈中，當硅片的較大部分已處于導通狀態時，經過階躍時間tst（見圖47）后將出現較高電流上升率。在階躍時間開始時，階躍電流iTSt（見圖47）應大致等于重復開通電流IT(RC)M（見3.4.1.2.3）。

如果階躍電流更低，可通過與扼流圈并聯的電阻Rp提高階躍電流。如果在0時刻施加電壓V0，則按以下公式計算電流iRSt：

圖47.具有不同串聯電感的晶閘管開通電流變化示意圖

a：最大允許區域

b：不允許工作，不限制電流上升率

c：允許工作，負載電路中具有線性串聯電感

d：允許工作，負載電路中具有串聯飽和扼流圈

7.4 減少門極電路中的干擾脈沖

變流器會使負載電路產生電流和電壓的突變。這時，由于門極引腳和觸發器電子元件上的電感或電容耦合，晶閘管的門極端子處可能出現干擾脈沖。因此可能意外觸發晶閘管并導致裝置中產生運行故障。

減少耦合以避免干擾脈沖的常用措施包括纏繞或縮短門極引腳，甚至包括改進觸發器變壓器或觸發器電子器件的屏蔽。此外還可保護門極電路（見圖48）。

圖8.晶閘管的門極保護示例

對于標準相控晶閘管，建議如下：

Cx=10...47nF

Rx根據tX=RxCx=10...20μs確定

Dx快速二極管

必須使用放電電阻Rx，否則電壓臨界上升率(dv/dt)cr等晶閘管數據可能衰減。如果緩沖電路對控制電路造成不利影響，設計觸發器電路時必須考慮到這一點（另見 3.3.1.8）。

文章來源：英飛凌工業半導體

審核編輯 黃宇